Популярно о чёрных дырах

 – Юрий Николаевич, что же такое «черная дыра» и какие характеристики она имеет? Есть ли гипотезы – как устроена изнутри черная дыра?

– Черная дыра – это объект, у которого вторая космическая скорость равна скорости света. И здесь есть некоторые интересные особенности, так как возникает вопрос – а каков размер радиуса такого объекта? Этот вопрос, кстати, в 1795 году поставил перед собой еще математик Лаплас, который был тем, кто еще до Эйнштейна фактически предсказал существование черных дыр.

Так вот, для того, чтобы посчитать этот радиус – надо взять обычную кинетическую энергию частиц, т.е. массу частицы умножить на квадрат скорости, поделить пополам и приравнять к гравитационной энергии. Только важно помнить, что в качестве скорости в данном случае будет выступать скорость света. Именно поэтому и возникает парадокс – ведь данная формула является нерелятивистской, а мы в нее поставили скорость света. Тем не менее, получается удивительная вещь – в такой формуле все поправки компенсируют друг друга и именно она оказывается правильной.

При этом интересно было подсчитать, каким должен быть радиус у Солнца, чтобы вторая космическая скорость равнялась скорости света? Размер радиуса зависит от массы, поэтому у Солнца он будет равен 3 км. А знаете, сколько будет равен радиус Земли, чтобы вторая космическая скорость равнялась скорости света, – 9 мм! Но Солнце не сможет превратиться в черную дыру, потому что внутреннее давление его таково, что оно вовремя остановит сжатие, а образование черной дыры, как мы знаем, происходит в результате сильного сжатия. Сжатие, как известно, происходит только после того, как звезда перейдет в фазу умирания, когда ее горючее закончится, потому что в процессе жизни ее уравновешивают происходящие в ней процессы термоядерного синтеза. Но есть также и дополнительные силы, которые могут остановить сжатие. Например, вырожденные электронные газы – очень концентрированные, сжатые газы электронов. Поэтому возникновение черной дыры сильно зависит от массы звезды, из которой она появится. Наше Солнце, как мы уже сказали, черной дырой не станет – ему не хватит массы – а станет белым карликом. Для того чтобы образовалась черная дыра – масса звезды должна быть больше трех масс Солнца.

Юрий Гнедин
©Ольга Фадеева

 – Но звезд, имеющих такие гигантские массы, – очень много, их миллионы и миллиарды. Неужели после их умирания появятся и миллиарды черных дыр?

– Ответ на этот вопрос неоднозначен. Дело в том, что при сжатии звезда теряет часть своей массы, поэтому неясно какова должна быть конечная масса, чтобы звезда коллапсировала в черную дыру. Так что если даже звезда имеет четыре массы Солнца – это еще не означает, что она превратится в черную дыру – при сжатии она может лишиться половины этой массы.

Превратившись в черную дыру, звезда будет иметь радиус, при котором вторая космическая скорость будет равна скорости света. Это и есть важнейшая характеристика черной дыры. Здесь важно помнить, что это не обязательно радиус поверхности. Вообще, если твердая поверхность и есть у черной дыры, то она лежит дальше.

Радиус горизонта событий зависит не только от массы, но и от того, вращается черная дыра или нет. А черная дыра может вращаться со скоростью света. И если она вращается именно с этой скоростью, то радиус такой дыры может быть в два раза меньше по сравнению с радиусом не вращающейся. Мы говорили, что если бы Солнце гипотетически могло бы стать черной дырой, то радиус его должен был быть равен 3 км. Так вот, если бы оно вращалось со скоростью света – этот радиус мог бы быть уже всего 1,5 км.

А вот как устроена черная дыра изнутри – не знает никто. Конечно, астрофизики догадываются, что природа черной дыры как-то связана с квантовой гравитацией. Потому что черная дыра – объект настолько плотный, что не подчиняется законам Ньютона, классической физике, в ней действуют совершенно другие законы. Между тем, у нас есть лишь понятие о квантовой гравитации, которое не разработано до сих пор, хотя ученые сейчас занимаются этим очень много.

В связи с понятием квантовой гравитации, кстати, даже возникают представления о дополнительном пространственном измерении. И не одном, а нескольких. Одни теоретики разрабатывают идею о пяти дополнительных измерениях, другие говорят, что мы живем в мире одиннадцати измерений. Этими вопросами занимаются теоретики струн. Но, повторюсь, никаких стройных гипотез об устройстве черных дыр в связи с этим пока нет.

Черная дыра в созвездии Единорога и ее спутница
B(e)-звезда в представлении художника
©Casares et al./ Nature / NPG

 – Общая теория относительности, как известно, не является полной – она не включает в себя квантовую механику. Именно поэтому в научном мире все еще остаются скептики, которые сомневаются в существовании черных дыр. Что вы думаете по этому поводу?

– Некоторые ученые при обнаружении черной дыры все еще говорят о «кандидате» в черные дыры, а не о черной дыре. Но большинство астрономов и астрофизиков, конечно, уверено в их существовании. И вот почему. Наука всегда интересовалось тем, как устроены центры галактик. Изначально думали, что центр любой галактики состоит из скопления звезд. Разумеется, радиус этого скопления всегда можно измерить – достаточно измерить переменность излучения от центра галактики и умножить это время на скорость света. С помощью обычных законов Кеплера можно измерить также и массу центра галактики. Масса центра нашей галактики, например, равна 4 млн масс Солнца. А есть галактики, масса центра которых составляет миллиарды солнечных масс. То есть подсчитать все это совсем несложно, и в 1960-х годах именно это астрономы и сделали. И столкнулись с неразрешимой проблемой – у них получились просто громадные цифры. Та масса, тот размер центра галактики просто не умещался в объем, ему отведенный. 4 млн звезд размером с наше Солнце просто не смогли бы существовать в таком маленьком пространстве. Этого не позволяют законы физики, так как подобная система будет неустойчивой, и все разлетится. Как решить эту проблему – никто не знал. Помощь пришла, когда появилась рентгеновская астрономия. При изучении рентгеновских сигналов, поступающих из центров галактик, вдруг выяснилось, что рентгеновское излучение этих центральных областей меняется за очень небольшой промежуток времени – например, за сто секунд. Это окончательно доказало, что миллионы и миллиарды звезд не могут существовать в таком маленьком объеме. Именно поэтому ученые убеждены, что в центре любой галактики находится черная дыра.

Черная дыра в галактике M 83
©Hubble Legacy Archive, ESA, NASA

– Как мы уже выяснили, существует два типа черных дыр: те, что рождаются в процессе умирания звезд, и те, что находятся в центрах галактик. Как появляются эти последние?

– В свое время ученые предполагали, как черная дыра образовалась в центре нашей галактики, ведь возраст ее – около 13 млрд лет, он почти равен возрасту Вселенной. Считалось, что за такой большой период времени могло накопиться вещество в центре галактики и образовать черную дыру. Однако сейчас открыты десятки и сотни черных дыр на космологических расстояниях – когда возраст Вселенной составлял миллиард лет и меньше. Получается, что черные дыры могут формироваться уже за такой короткий период времени. Поэтому над загадкой образования дыр в центрах галактик ученые сейчас ломают голову. Тем не менее, существуют две гипотезы, объясняющие эту загадку. Одна из них гласит, что у каждой черной дыры есть «зародыш» – английский термин этого явления называется seed – это либо массивная звезда, либо скопление массивных звезд. Когда этот зародыш начинает сжиматься, при этом уменьшается его радиус, притягивается все больше вещества, происходит аккреция. Таким образом и образуется сверхмассивная черная дыра.

Вторая гипотеза говорит о том, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик формируются путем слияния звезд, когда образуется звезда невероятно большой массы, из которой потом рождается черная дыра. Кстати, возможен и вариант, когда несколько черных дыр могут слиться в одну.

 Считается, что в нашей галактике порядка 10 млн черных дыр. Огромное количество этих дыр находится в тесных двойных системах. Существование черной дыры в такой системе определяется путем изучения изменения блеска и орбиты, находящихся в системе звезд. По этим же параметрам можно определить массу невидимого объекта – черной дыры. Таких двойных объектов, расчеты параметров которых точно указывают на существование в них черных дыр, в нашей галактике 26.

– Расскажите об излучении и испарении черных дыр.

– Важнейшей особенностью черной дыры является то, что из нее исходит излучение. Это явление называется релятивистский джет. Причины его возникновения объяснить пока никто не может. Даже свет, как известно, не способен вырваться из черной дыры. Но джет – это то, что происходит до горизонта событий. Область, где все это происходит, называется эргосферой. Там же происходит такое явление, как испарение – так называемый эффект Хокинга, хотя эффект этот мал и наблюдать его непросто. Это испарение совсем не похоже на то, которое идет от нашего чайника на кухне. Дело в том, что вблизи горизонта настолько сильное магнитное поле, что оно рождает частицы, а они в свою очередь уносят энергию – часть гравитационной энергии, энергии вращения. Вот это и есть то, что называют испарением черной дыры.

Cвязанная пара сверхмассивных черных дыр
в представлении художника
©ESA – C. Carreau

 – Расскажите о микрочерных дырах, которые сегодня появляются на коллайдерах. В связи с этим многие даже всерьез опасаются, что такие дыры способны «засосать» и нашу планету.

– Проблема микрочерных дыр возникла, когда была открыта темная материя. А ведь что такое темная материя? Если говорить по-простому, то это, по сути, черная дыра, только очень маленькая. Вы ее не видите, а гравитация от нее есть. Загадка только в том – как такие крошечные дыры образовались. Предполагают, что они родились на ранней стадии развития Вселенной, когда плотность ее была гигантской, а силы и взаимодействия сил – чудовищными. Потом Вселенная расширялась, а микрочерные дыры дошли до нас. Тем не менее, большинство ученых считают, что темная материя – это не микроскопические черные дыры, а пока не открытые элементарные частицы.

Что касается опасений того, что эти дыры могут нести какую-то угрозу, то это, конечно, полная ерунда. Такие крошечные дыры появляются и почти мгновенно исчезают. Они никогда не будут расти, а будут, наоборот, испаряться. То есть такая дыра просто не успеет засосать Землю. А рождается их там не миллиарды и миллионы, а ничтожное количество. Они даже не успеют соединиться, часть из них разлетится, часть – поглотится.

Источник: О. Фадеева naked-science.ru